CN104578908A - 一种风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电装置，尤其是一种基于压电效应的风力发电装置，它包括基座、发电装置、电能收集电路和电能储存电路，所述发电装置包括设置在基座上的一个或多个支撑臂组，每个支撑臂组包括多个在同一水平面上等角度分布的弹性支撑臂，每个支撑臂上贴覆有压电发电片，压电发电片与支撑臂间还设有铜材料基底层，所述压电发电片的面积小于铜材料基底层的面积，所述支撑臂末端设有浮子，所述发电装置通过电能收集电路与电能储存电路连接。本发明具有结构简单、成本低、风能利用率高等特点，能将外界环境中的风能转化为机械振动能量，并产生电能，且具备电能收集电路与电能储存电路，能将电荷进行有效收集和安全输出。

Description

一种风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置,具体涉及一种基于压电效应的风力发电装置，属于风力发电和压电发电技术领域。

背景技术

近年来，随着社会经济的高速发展，对能源的需求日益剧增，环境污染和能源短缺成为困扰世界各国的一个共同难题，并由此而造成的环境恶化和能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。风能作为一种清洁的可再生能源，具有清洁、廉价、可再生、储量大等优点，利用风能进行发电具有巨大的应用价值和很好的发展前景，且其蕴量巨大，因此越来越受到世界各国的重视，越来越多的人在研究风力发电。风力发电效果明显，我国新能源战略也开始把大力发展风力发电设为重点。但传统的风力发电装置体积大，设备建设成本高，需要巨大的投资。虽然也有一些小体积的风能发电机，但是转换效率一般都比较低，所需能量往往风能不足以提供。而且大多数风力发电离不开电磁发电机，因此需要有一种新的发电形式来改变目前的发电状况。

在1880年，Curie兄弟在研究热电现象和晶体对称性的关系时，于α石英晶体上发现了压电效应。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷的现象即为压电效应。随着人们对连续电力供应的需求和绿色环保能源意识的不断增强，利用新型材料的压电发电技术已成为当今热门的研究方向。压电发电利用压电材料变形后产生电能而实现发电，其具有结构简单、实现方便、成本低等优点。压电材料是一种节能型环保材料，绿色安全,不会产生有毒有害的残留物质，符合可持续发展的要求。

基于此，目前出现了各种样式的压电发电装置，如悬臂梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等。纵观压电发电技术的研究现状，上述压电发电装置收集的能量主要来源于周围环境的机械振动源，也即所设计的压电发电装置主要为振动式压电发电装置。振动式压电发电装置虽然效率较高，但是必须要有一个机械振动源才能发挥其作用，而在有些特殊情况下很难找到有效的振动源实现装置的发电能力。考虑到外界环境中丰富的风能资源，如何将外界环境中的风能应用于压电发电装置是一个非常值得研究的方向。专利文献CN201310357008.9公开了一种风力带动旋转式压电发电技术，该结构虽然采用无接触的磁激励方式对风能进行转化，但该专利及其它一些专利电磁力是直接作用于压电悬臂梁末端，其悬臂梁末端永磁体和转盘上永磁体之间的距离需精确计算，要不然很容易使得压电悬臂梁上压电陶瓷由于变形过大而产生脆裂，即压电悬臂梁的变形不容易控制。此外，由于受到设计结构限制，该专利结构扩展有限。专利CN202586804公开了一种采用压电发电片的风力式发电机，在一个弹性条片上面分布有多块压电发电片，弹性条片随风摆动时，上面的压电发电片发生形变而产生电力，虽然体积小，但受其结构限制，加上对外界的环境要求高，实际发电效果不好，同时也缺少储能装置，压电片发出的电流无法得到有效的收集和输出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于压电效应的风力发电装置，具有结构简单、成本低、风能利用率高等特点，能将外界环境中的风能转化为机械振动能量，并产生电能，且具备电能收集电路与电能储存电路，能将电荷进行有效收集和安全输出。

本发明所采用的技术方案是：一种风力发电装置，包括基座、发电装置、电能收集电路和电能储存电路，所述发电装置包括设置在基座上的一个或多个支撑臂组，每个支撑臂组包括多个在同一水平面上等角度分布的弹性支撑臂，每个支撑臂上贴覆有压电发电片，压电发电片与支撑臂间还设有铜材料基底层，所述压电发电片的面积小于铜材料基底层的面积，所述支撑臂末端设有浮子，所述发电装置通过电能收集电路与电能储存电路连接。

作为本发明的进一步改进，所述支撑臂组为6组，每组配有6个支撑臂，支撑臂间相互呈60度。

作为本发明的进一步改进，所述支撑臂上浮子的轴向与支撑臂轴向垂直，所述浮子的轴向与水平面平行，吸盘口统一朝向围绕支撑臂呈顺时针或逆时针以便更好地利用风能。

作为本发明的进一步改进，所述压电发电片为半环型压电陶瓷片。

作为本发明的进一步改进，所述支撑臂上设有环形凹陷部，所述半环型压电陶瓷片嵌入所述环形凹陷部内。

作为本发明的进一步改进，所述半环型压电陶瓷片共有两个，分别设置于支撑臂轴向垂直面两侧。

作为本发明的进一步改进，所述电能收集电路包括总线端子，总线端子的正极端连接所述压电发电片，总线端子的负极端连接所述基底层。

作为本发明的进一步改进，所述电能储存电路包括依次连接的输入接口、整流电路、保护电路、升压电路和输出接口，所述输入接口与总线端子相连接。

作为本发明的进一步改进，所述浮子形状为吸盘状，可有效增大与风的接触面积。

作为本发明的进一步改进，所述基座为圆台形钢材，基座外层涂有防腐蚀涂料。

本发明的工作过程及原理：即压电材料的压电效应原理，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，称之为正压电效应；反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。本发明正是利用了压电材料的正压电效应，通过风使支撑臂产生振动，从而使压电发电片变形而产生电位差，并输出电信号，通过电能收集电路对多个压电片产生的电流进行收集，并经过电能储存电路进行存储和利用。

由于上述技术方案的运用，本发明具有如下有益效果：

1、本发明将风能利用与压电发电相结合实现了风力发电。

2、本发明具有结构简单、安装制造维修方便。

3、绿色环保，发电时不受风力、风向影响，在风力作用下使贴覆在支撑臂上的压电发电片产生压电效应进行发电，此压电发电装置在微风扰动时即可进行发电，有利于实现对风能的有效利用，同时节省了采用风力发电的成本。

4、压电片采用压电陶瓷作为材料，压电陶瓷压电性较高，本发明使用压电陶瓷作为压电材料可大大提高装置的能量收集效果。

5、具有电能收集电路和电能储存电路，能将电荷进行有效收集、储存和安全输出，风能利用率高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方案作详细说明：

图1是本发明提供的基于压电效应的风力发电装置的正视图；

图2是本发明提供的风力发电装置的支撑臂的轴截面图；

图3是本发明提供的风力发电装置的支撑臂的装配图

图4是本发明提供的风力发电装置的电能收集电路图；

图5是本发明提供的风力发电装置的电能储存电路图；

图中：1为基座；2为支撑臂；3为压电发电片；4为浮子；5为基底层；6为环形凹陷部。

具体实施方案

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

具体的，如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于压电效应的风力发电装置，包括基座1、发电装置、电能收集电路和电能储存电路。其中，基座1由圆台形钢材制成，基座外层涂有防腐蚀涂料，以延长基座的使用寿命；发电装置包括设置在基座上的支撑臂组，本实施方式共设置了6组支撑臂组，每个支撑臂组包括6个弹性支撑臂2，两个相邻支撑臂2之间的相互角度θ呈60度，可以保证在任何风向情况下，发电装置处于发电的最高效率，每个支撑臂2上贴覆有压电发电片3，压电发电片3与支撑臂2间还设有铜材料的基底层5，压电发电片3作为正极端出线，铜材料基底层5可以作为负极端出线，压电发电片3的面积要小于铜材料基底层5的面积，这样不仅可便于导线的焊接，还可以一定程度上防止压电片损坏，增长寿命。支撑臂2末端设有浮子4，浮子4形状为吸盘状，可有效增大与风的接触面积；支撑臂2上浮子4的轴向与支撑臂2轴向垂直，并与水平面平行，吸盘口统一朝向围绕支撑臂呈顺时针或逆时针以便更好地利用风能。压电发电片3选用弹性极限较大的、无铅的环保型压电陶瓷片，形状为半环型，由于压电陶瓷片压电性高，可大大提高风力发电装置的能量收集效果。如图2、3所示，支撑臂2上设有环形凹陷部6，半环型压电陶瓷片贴附基底后嵌入环形凹陷部6内，不但使得压电陶瓷片安装得更加牢固，也使得压电陶瓷片更好的利用支撑臂的挤压力。同时，为了延长发电装置的使用寿命，压电陶瓷片和基底裸露在外部的部分都涂有防腐蚀的涂料。每个支撑臂2上的半环型压电陶瓷片共有两个，分别设置于支撑臂2轴向垂直面两侧。风吹来时，支撑臂2一边受到挤压，另一端就会随着拉伸，压电陶瓷片也会受压变形，利用正压电效应，压电陶瓷片变形后产生电位差，并通过与压电陶瓷片和铜材料基底层5连接的导线向电能收集电路输出电能，输出的电能由电能收集电路收集后输入电能储存电路，如图4所示，电能收集电路包括总线端子，总线端子的正极端通过导线连接所有压电陶瓷片，总线端子的负极端通过导线连接所有铜材料基底层，相当于每个发电单元均并联向电能收集电路供电。

电能储存电路包括依次连接的输入接口、整流电路、保护电路、升压电路和输出接口，输入接口与电能收集电路的总线端子相连接。电能收集电路将收集到的电荷输入至电能储存电路，并由其输出稳定的直流电压和电流，通过输电线路向用户端负载供给电能。电能储存电路如图5所示，输入接口JP1连接有整流桥D1组成的整流电路，将压电发电片3产生的交流电变换为直流电，其间经过由肖特基二极管D2、D3组成的保护电路，保护电路可以防止压电发电片3形变方向相反时暂时的高电压毁坏电路，电流通过保护电路后经过由SX1308升压芯片U1以及其它外围电路组成的升压电路输出到输出接口JP2，输出接口JP2即可通过输电线路向负载供电。

上述技术方案所提供的风力发电装置一般选择在风力资源丰富的地区安装，摆放时要考虑支撑臂长度(包含浮子)，主要考虑相邻支撑臂之间的间隔。为了保证发电效率，还应考虑空气流体学，控制基座间距，保证发电效率最大化。

以上所述仅为该发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何简单修改、等同变化及改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种风力发电装置，其特征在于：包括基座(1)、发电装置、电能收集电路和电能储存电路，所述发电装置包括设置在基座(1)上的一个或多个支撑臂组，每个支撑臂组包括多个在同一水平面上等角度分布的弹性支撑臂(2)，每个支撑臂(2)上贴覆有压电发电片(3)，压电发电片(3)与支撑臂(2)间还设有铜材料的基底层(5)，所述支撑臂(2)末端设有浮子(4)，所述发电装置通过电能收集电路与电能储存电路连接，所述支撑臂组为6组，每组配有6个支撑臂(2)，支撑臂(2)间相互呈60度，所述支撑臂(2)上浮子(4)的轴向与支撑臂(2)轴向垂直，所述浮子(4)的轴向与水平面平行，所述压电发电片(3)为半环型压电陶瓷片，所述支撑臂(2)上设有环形凹陷部(6)，所述半环型压电陶瓷片嵌入所述环形凹陷部(6)内。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述压电发电片(3)的面积小于铜材料基底层(5)的面积。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述半环型压电陶瓷片共有两个，分别设置于支撑臂(2)轴向垂直面两侧。

4.根据权利要求1或2所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述电能收集电路包括总线端子，总线端子的正极端通过导线连接所述压电发电片(3)，总线端子的负极端通过导线连接所述基底层(5)。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述电能储存电路包括依次连接的输入接口、整流电路、保护电路、升压电路和输出接口，所述输入接口与所述总线端子相连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述浮子(4)形状为吸盘状。

7.根据权利要求1或2所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述基座(1)为圆台形钢材，基座(1)外层涂有防腐蚀涂料。